公路橡膠瀝青路面結構優化設計分析

鄭閩

（德興市交通運輸局，江西德興334200）

0 引言

公路橡膠瀝青路面結構設計水平的高低，與公路工程項目的建設質量有著密切聯系。所以，在橡膠瀝青路面結構設計環節，要掌握結構設計的參數，做好相關設計工藝的控制，這樣才能夠達到設計效果，滿足公路項目的建設要求。

1 橡膠瀝青路面結構設計原則

橡膠瀝青路面必須根據設計原則進行施工，從而保證其結構性能和質量符合要求，達到交通運行標準。在軸載處于變化的情況之下，路表彎沉、層底彎拉應力等力學性能會隨著軸重的增加而增加。不同環境下，即使是相同荷載的車輛同時作用，路面結構的力學性能指標也會存在很大的差距。因此，在進行橡膠瀝青路面結構設計時，必須綜合分析實際情況，選擇面層與基層的施工材料，并且做好厚度設定。

具體來說，橡膠瀝青路面結構設計應遵循如下原則：

一是根據道路等級、交通通行量、車輛類型等選擇面層與基層的結構形式，并確定厚度參數，嚴格執行該技術標準。

二是各個結構層的性能符合要求，特別是功能層，必須達到工程技術標準要求。

三是各個結構層的應力分布符合實際應用的要求，保證基層、面層結構的模量參數合格，達到受力條件標準，符合抗疲勞性能標準。

四是分析、了解各個結構層的厚度特性參數，保證兩層結構的黏結性能合格，達到穩定性標準要求。

五是在任何自然環境下，穩定性都符合要求，特別是高等級的道路形式，要符合穩定、均勻、強度的標準要求，確保各個路面結構的性能合格。

六是行車道與路肩結構是協調設置的，表面積水能夠被有效排出，不會浸入結構內部。

七是總結經驗教訓，選擇先進的施工技術，保證工程結構達到標準要求。

八是在使用功能合格的前提下，按照全壽命周期進行設計，確保耐久性合格，性能達標。

2 橡膠瀝青路面結構優化設計要點

2.1 橡膠瀝青路面結構組合設計

橡膠瀝青路面結構主要包括面層、基層、墊層、路基等結構部分，這些都是承載路面荷載的主要結構，所以必須保證符合工程要求。路面結構的基礎性要求就是耐久、舒適、抗滑，其中關鍵的是耐久性，其關系到道路的使用壽命。

橡膠瀝青路面采用的是組合式設計方式，不能只按照普通橡膠瀝青混凝土路面結構形式進行設計，必須結合實際情況及技術要求進行設計，以確保其結構性能合格。在進行橡膠瀝青路面結構設計時，設計人員應綜合分析現場自然環境，了解各個層的應用形式及功能性，確定合適的設計方案，保證其結構性能完全符合要求，這對于提高工程的質量有重要價值。

2.2 各層位功能及設置

根據目前的設計規范要求，橡膠瀝青路面結構包括面層、基層、底基層、墊層等結構部分。對大量的經驗進行總結、分析發現，橡膠瀝青路面結構在運行中，除了瀝青面層外，其他各個功能層也是極為重要的。

國外很多研究學者認為，橡膠瀝青路面結構性能比較好，在使用橡膠瀝青面層結構作為吸收層的情況下，可以將公路結構的厚度縮小一半，達到節約能源、提高經濟效益的作用。美國國家標準中提出，1cm 橡膠瀝青吸收層的結構性能和5cm 普通瀝青混凝土面層結構性能是相同的。所以，使用橡膠瀝青在減小結構厚度的同時，還能夠保證性能合格，綜合利用價值較高。雖然應用橡膠瀝青可以明顯減小結構厚度，但是路面結構的受力條件也出現了很大變化，特別是基層結構的受力變化。厚度較大的路面結構，能夠實現車輛荷載的分散，將荷載分布到瀝青面層的各個結構位置上，而厚度減小后，半剛性基層會在車輛荷載的作用下出現脆裂、松散。因此，在橡膠瀝青路面設計中，應該綜合分析路面結構的力學特性，以便確定最佳的厚度設計方案，保證結構性能完全符合標準要求。

2.2.1 上面層

當前，很多高速公路上面層結構設計為連續級配AC-13 性瀝青混合料，也有些路面使用的是瀝青混合料的形式，厚度一般設定為4cm。有些高速公路在設計時，應用的是改性瀝青SMA 混合料，或者使用排水瀝青面層OGFC。如果使用AC 瀝青混合料層制作混凝土面層，能夠達到一般交通通行量的運行，但是對于高速公路來說，由于車輛通行量巨大，重型車輛較多，因而容易導致性能不足的問題，比如極易發生車轍的危害；SMA 混合料的路面性能良好，抗車轍性能佳，能夠滿足抗老化、低溫抗裂性的標準要求，抗滑效果也比較好，但是制作和施工的成本較高，所以很多施工單位不會優先選擇該結構形式。

對于混合料的選擇，除了要考慮到交通通行量，達到工程實際運行要求外，還要滿足經濟性、設備運行的要求。從橡膠瀝青混合料性能方面分析發現，橡膠瀝青嵌擠密實型級配的混合料性能優于其他混合料形式，所以將其鋪設到高速公路面層，性能優越?？偨Y分析發現，目前工程中應用得較多的是骨架密實橡膠瀝青混合料，這是因為該類型的材料制作方便，施工快捷，可以產生較高的經濟效益。從實際應用效果分析，該材料的總體性能較高，其內部存在性能優越的骨架結構形式，且橡膠瀝青混合料一樣具備較高黏結性，能夠直接包裹骨料的外表面，從而形成密集的結構形式。該材料的抗車轍性能良好，低溫抗裂性好，且具備較高的耐疲勞性能，路面的摩阻力良好且抗滑性能佳，產生的噪聲相對較低。因此，將橡膠瀝青混合料直接鋪設到高速公路表面結構上，性能比其他的瀝青路面好，所以綜合利用價值較高。

除了以上的路面結構材料外，還有一種比較普遍的材料是升級橡膠瀝青混合料AR-OGFC。這種材料為2cm 左右的超薄路面結構，抗滑性良好，在車輛行駛時可以達到安全性標準，和排水瀝青路面存在差異。具體來說，該材料結構路面的功能以及結構形式如下：

（1）骨架密實型磨耗層。這種結構形式的抗滑性能非常優越，但是排水效果比較差，所以隔水性較好，可以阻止水分進入結構內，還能預防水損害，下層結構無須設置防水層即可滿足要求，完全符合交通運行的標準要求。

（2）骨架孔隙型磨耗層。將該結構層鋪設到路面表層上，可以保證路面結構的構造深度符合要求，提高抗滑性能，且該結構內部存在一定的空隙，排水效果良好，能有效預防水霧、積水等問題。但是，這種結構路面與其他的排水路面相比，在排水性方面還是有一定差距的，所以要結合實際情況進行具體分析，以保證路面的性能符合要求。

2.2.2 中、下面層

就目前來說，在高速公路結構設計中，路面的中、下層結構主要使用的是連續級配AC 型瀝青混合料。通過實踐經驗分析可知，雖然上面層結構應用的是改性瀝青材料，但是在車輛碾壓荷載的作用下，還是會出現車轍的病害問題。開挖斷面之后發現，上面層結構厚度并無明顯變化，但中、下面層存在較為嚴重的變形問題。因此，結合實際情況分析發現，出現車轍病害的原因，就是中、下面層結構的剪應力過大，而材料性能不足造成的。

通過設計軟件進行分析發現，在靜力荷載的持續作用下，路面表層的剪應力并不大，但隨著深度的逐步增大，剪應力也會相應增加，在達到峰值之后會再逐步下降，峰值一般是在距離路表9cm 的位置上，且該部分為中面層結構，詳見圖1。由此可見，中面層結構受剪應力的影響較大，容易發生剪切變形的問題，所以必須選擇合適的中面層施工材料，以達到工程的運行標準[1]。

圖1 最大剪應力隨深度變化規律

從上圖的變化趨勢可以發現，剪應力會隨著深度變化而變化。在路面深度超過9cm 的結構上，剪應力會不斷下降，到達18cm 的深度時，剪應力會下降到0.1MPa 以下。所以剪應力超過0.1MPa 時，主要集中在厚度超過15cm 的位置上，因此車轍主要出現在15cm 以內的瀝青結構層內。

根據結構設計的最大剪應力變化趨勢可以了解到達，在達到一定深度后，發生車轍的病害問題的概率是比較低的。對于半剛性基層瀝青路面結構來說，瀝青面層發生車轍病害的概率要超出柔性基層結構。在半剛性基層瀝青路面中，瀝青面層容易因為車輛碾壓而發生車轍的問題。在當前很多的高等級公路路面設計中，都會加強對半剛性基層結構設計的控制，以防止車轍病害問題。所以，應結合路面運行的實際情況，分析確定合適的路面結構，選擇最佳的施工材料，以保證工程的質量合格[2]。

2.3 基層

基層是主要的承重結構層，必須具備耐久、穩定、承載性能的要求，才能保證公路運行符合標準要求。

橡膠瀝青面層結構可以被應用到多種基層結構中，比如半剛性基層、柔性基層、復合基層等。這些基層結構在設計環節，應根據國家標準和行業規范的要求進行設計，確保結構性能完全達到運行標準。但是，為了能夠克服半剛性基層結構存在的反射裂縫問題，最好在基層結構表面鋪設一層橡膠瀝青應力吸收層，以確保結構的性能合格[3]。

除了上述幾種基層結構外，在進行道路養護及改、擴建施工中，還可以選擇如下的基層結構。水泥混凝土路面結構的剛度性能高、承載效果好、穩定性高，使用壽命也比較長，但是在實際運行中，容易發生錯臺、斷板等病害問題，還會因為很多因素的作用而出現裂縫、破碎。如果出現這樣的問題，可以采取兩種處理方式：其一，在水泥路面結構沒有發生嚴重損壞、尚不需要進行修復處理時，先對路面結構進行破碎處理，然后再在表面鋪設瀝青路面結構；其二，當路面已經處于嚴重損壞、沒有任何修復價值時，要將之前的路面基層全部清理干凈，再進行瀝青面層結構的鋪設施工。對于第一種情況來說，由于是直接在水泥路面上進行鋪設施工，所以為了消除反射裂縫的問題，還要在表層鋪設一層橡膠瀝青應力層。

2.4 橡膠瀝青路面結構層厚度設計

橡膠瀝青路面厚度參數的確定必須根據當地的交通狀況、自然環境等要素進行設定，保證結構的力學參數、使用性能、經濟價值等方面因地制宜，結構性能完全達標，達到設計目標的要求，從而確保交通運行質量合格[4]。

2.4.1 設計參數值

對橡膠瀝青路面結構進行優化設計時，要從環境、材料、交通荷載等方面出發進行確定，保證設計參數完全符合標準要求，從而達到路面完整性、準確性的標準，為瀝青路面性能的提升奠定基礎。

（1）環境參數

在分析環境參數時，要從溫度、濕度方面進行，因為二者會對路面結構產生很大的影響?？紤]到公路項目所處位置的氣候條件，在此次研究中，選擇應用目前使用最為廣泛的FWD 測量彎沉值，通過技術參數分析可以獲取瀝青材料模量，進行路面溫度預估模型的建設，其可以通過下式（1）進行表達：

Td=Ts+ (-0.3451d - 0.0432d2 + 0.00196dm3)×sin(-6.3252t + 5.0967)（1）式（1）中：Td表示瀝青路面速度為d 的溫度（℃）；Ts表示路面表層溫度（℃）；d 表示距離路表的深度（cm）；t表示時間（h）。

（2）材料設計參數

在高速公路路面結構的試驗中，面層與應力吸收層全部使用橡膠瀝青混合料，鑒于其模量參數目前并未有明確的規范要求，所以在設計環節，要從橡膠瀝青混合料的模量出發進行研究、分析。按目前有些研究人員會選擇使用動態模量參數。當前對橡膠瀝青混合料模量參數的試驗、分析并不多見，且研究人員的結論相差很大，因此，要進行橡膠瀝青混合料抗壓模量的研究、分析，從而真正的了解模量參數，保證結構性能符合要求。

2.4.2 確定設計目標

在設計橡膠瀝青路面時，其使用壽命的設計應按照交通規劃中道路工程的設計標準，同時還要分析當地的自然環境和經濟情況。按照目前的要求，保證設計參數不低于表1 的標準，可結合具體情況做出相應調整。

表1 路面年限設計要求

根據表1 可知，在高速公路瀝青路面設計中，年限最低為15年，完全符合該項目的使用年限標準，綜合效益明顯。

2.5 路面結構厚度確定

在橡膠瀝青路面結構設計中，厚度參數的確定極為重要，應從力學特性出發進行分析，保證路面結構的性能合格，從而更好地延長公路的使用壽命。當前，在進行路面設計時，往往從理論出發，只注重在路面結構的強度符合要求，卻常常不能滿足結構性能的標準要求，所以容易導致系統性、結構性上的問題。從實際情況出發，在橡膠瀝青混合料的結構優化設計環節，必須保證其達到使用壽命的要求，滿足正常的運行標準[5]。

3 結語

在此次的研究中，橡膠瀝青路面結構優化設計包含的因素很多，但都與耐久性存在直接的聯系。所以，在未來的設計中，必須綜合分析各方面的因素，做好各部分的設計與控制，保證各方面性能指標、參數合格，以達到橡膠瀝青路面的運行標準，這對于提高交通運行質量與安全是有益的。